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| 物理學(xué)中的絕對零度 |
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| 物理學(xué)中的絕對零度 | | 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:9月14日 查看次數:994次 | 物理學(xué)中的絕對零度
說(shuō)明 絕對零度(absolute zero)是熱力學(xué)的最低溫度，但此為僅存于理論的下限值。其熱力學(xué)溫標寫(xiě)成K，等于攝氏溫標零下273.15度（-273.15℃）。
絕對零度，是可能達到的最低溫度。在絕對零度下，原子和分子擁有量子理論允許的最小能量。絕對零度就是開(kāi)爾文溫度標（簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)氏溫度標，記為K）定義的零點(diǎn)；0K等于—273.15℃，而開(kāi)氏溫度標的一個(gè)單位與攝氏1度的大小是一樣的。
物質(zhì)的溫度取決于其內原子、分子等粒子的動(dòng)能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子動(dòng)能越高，物質(zhì)溫度就越高。理論上，若粒子動(dòng)能低到量子力學(xué)的最低點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)即達到絕對零度，不能再低。然而，絕對零度永遠無(wú)法達到，只可無(wú)限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量，也不斷進(jìn)行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的，除非該空間自始即無(wú)任何能量熱量。在此一空間，所有物質(zhì)完全沒(méi)有粒子振動(dòng)，其總體積并且為零。
有關(guān)物質(zhì)接近絕對零度時(shí)的行為，可初步觀(guān)察熱德布洛伊波長(cháng)（Thermal de Broglie wavelength）
其中 h 為普朗克常數、m 為粒子的質(zhì)量、k 為玻爾茲曼常量、T 為絕對溫度�？梢�(jiàn)熱德布洛伊波長(cháng)與絕對溫度的平方根成反比，因此當溫度很低的時(shí)候，粒子物質(zhì)波的波長(cháng)很長(cháng)，粒子與粒子之間的物質(zhì)波有很大的重疊，因此量子力學(xué)的效應就會(huì )變得很明顯。著(zhù)名的現象之一就是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚在1995年首次被實(shí)驗證實(shí)，當時(shí)溫度降至只有 170×10 開(kāi)爾文。
�、僭谥袑W(xué)階段，對于熱力學(xué)溫標和攝氏溫標間的換算，是取近似值T(K)=t(℃)+273。
絕對零度的溫度圖線(xiàn) 實(shí)際上，如以水的冰點(diǎn)為標準，絕對零度應比它低273.15℃所以精確的換算關(guān)系應該是T(K)=t(℃)+273.15。
�、诮^對零度是根據理想氣體所遵循的規律，用外推的方法得到的。用這樣的方法，當溫度降低到-273.15℃時(shí)，氣體的體積將減小到零。如果從分子運動(dòng)論的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，理想氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能由溫度T確定，那么也可以把絕對零度說(shuō)成是“理想氣體分子停止運動(dòng)時(shí)的溫度”。以上兩種說(shuō)法都只是一種理想的推理。事實(shí)上一切實(shí)際氣體在溫度接近-273.15℃時(shí)，將表現出明顯的量子特性，這時(shí)氣體早已變成液態(tài)或固態(tài)�？傊�，氣體分子的運動(dòng)已不再遵循經(jīng)典物理的熱力學(xué)統計規律。通過(guò)大量實(shí)驗以及經(jīng)過(guò)量子力學(xué)修正后的理論導出，在接近絕對零度的地方，分子的動(dòng)能趨于一個(gè)固定值，這個(gè)極值被叫做零點(diǎn)能量。這說(shuō)明絕對零度時(shí)，分子的能量并不為零，而是具有一個(gè)很小的數值。原因是，全部粒子都處于能量可能有的最低的狀態(tài)，也就是全部粒子都處于基態(tài)。
�、塾捎谒�三相點(diǎn)溫度是0.01℃，因此絕對零度比水的三相點(diǎn)溫度低273．16℃。
絕對零度表示那樣一種溫度，在此溫度下，構成物質(zhì)的所有分子和原子均停止運動(dòng)。所謂運動(dòng)，系指所有空間、機械、分子以及振動(dòng)等運動(dòng)．還包括某些形式的電子運動(dòng)，然而它并不包括量子力學(xué)概念中的“零點(diǎn)運動(dòng)”。除非瓦解運動(dòng)粒子的集聚系統，否則就不能停止這種運動(dòng)。從這一定義的性質(zhì)來(lái)看，絕對零度是不可能在任何實(shí)驗中達到的，但目前科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗室中達到距離絕對零度僅五十億分之一攝氏度的低溫。所有這些在物質(zhì)內部發(fā)生的分子和原子運動(dòng)統稱(chēng)為“熱運動(dòng)”，這些運動(dòng)是肉眼看不見(jiàn)的，但是我們會(huì )看到，它們決定了物質(zhì)的大部分與溫度有關(guān)的性質(zhì)。 正如一條直線(xiàn)僅由兩點(diǎn)連成的一樣，一種溫標是由兩個(gè)固定的且可重復的溫度來(lái)定義的。最初，在一標準大氣壓(760毫米水銀柱，或760托)時(shí)，攝氏溫標是定冰之熔點(diǎn)為0℃和水之沸點(diǎn)為100℃，絕對溫標是定絕對零度為0K和冰之熔點(diǎn)為273K，這樣，就等于有三個(gè)固定點(diǎn)而導致溫度的不一致，因為科學(xué)家希望這兩種溫標的度數大小相等，所以，每當進(jìn)行關(guān)于這三點(diǎn)的相互關(guān)系的準確實(shí)驗時(shí)，總是將其中一點(diǎn)的數值改變達百分之一度。 現在，除了絕對零度外，僅有一固定點(diǎn)獲得國際承認，那就是水的“三相點(diǎn)”。1948年確定為273.16K，即絕對零度以上273．16度。當蒸氣壓等于一大氣壓時(shí)，水的正常冰點(diǎn)略低，為273．15K(=0℃=32°F)，水的正常沸點(diǎn)為373.15K(=100℃=212°F)。這些以攝氏溫標表示的固定點(diǎn)和其他一些次要的測溫參考點(diǎn)(即所謂的國際實(shí)用溫標)的實(shí)際值，以及在實(shí)驗室中為準確地獲得這些值的度量方法，均由國際權度委員會(huì )定期公布。
科學(xué)家在對絕對零度的研究中，發(fā)現了一些奇妙的現象。如氦本是氣體（氦是自然界中最難液化的物質(zhì)），在-268.9℃時(shí)變成液體，當溫度持續降低時(shí)，原本裝在瓶子里的液體，卻輕而易舉地從只有0.01毫米的縫隙中，很容易地溢到瓶外去了，繼而出現了噴泉現象，液體的粘滯性也消失了。
為什么不能達到絕對零度 1848年，英國科學(xué)家威廉·湯姆遜·開(kāi)爾文勛爵（1824～1907）建立了一種新的溫度標度，稱(chēng)為絕對溫標，它的量度單位稱(chēng)為開(kāi)爾文（K）。這種標度的分度距離同攝氏溫標的分度距離相同。它的零度即可能的最低溫度，相當于零下273攝氏度（精確數為-273.15℃），稱(chēng)為絕對零度。因此，要算出絕對溫度只需在攝氏溫度上再加273即可。那時(shí)，人們認為溫度永遠不會(huì )接近于0（K），但今天，科學(xué)家卻已經(jīng)非常接近這一極限了。
低溫下超導體產(chǎn)生的磁浮現象 物體的溫度實(shí)際上就是原子在物體內部的運動(dòng)。當我們感到一個(gè)物體比較熱的時(shí)候，就意味著(zhù)它的原子在快速運動(dòng)：當我們感到一個(gè)物體比較冷的時(shí)候，則意味著(zhù)其內部的原子運動(dòng)速度較慢。我們的身體是通過(guò)熱或冷來(lái)感覺(jué)這種運動(dòng)的，而物理學(xué)家則是絕對溫標或稱(chēng)開(kāi)爾文溫標來(lái)測量溫度的。
按照這種溫標測量溫度，絕對溫度零度（0K）相當于攝氏零下273.15度（-273.15℃）被稱(chēng)為“絕對零度”，是自然界中可能的最低溫度。在絕對零度下，原子的運動(dòng)完全停止了，那么就意味著(zhù)我們能夠精確地測量出粒子的速度(0)。然而1890年德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數表明這樣一個(gè)事實(shí)：粒子的速度的不確定性、位置的不確定性與質(zhì)量的乘積一定不能小于普朗克常數，這是我們生活著(zhù)的宇宙所具有的一個(gè)基本物理定律。(海森堡不確定關(guān)系)那么當粒子處于絕對零度之下，運動(dòng)速度為零時(shí)，與這個(gè)定律相悖，因而我們可以在理論上得出結論，絕對零度是不可以達到的。
自然界最冷的地方不是冬季的南極，而是在布莫讓星云。那里的溫度為零下272攝氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成為“宇宙冰盒子”。事實(shí)上，布莫讓星云的溫度僅比絕對零度高1度多(零下273.15攝氏度)。
這個(gè)“熱度”（因為實(shí)際上我們談到的溫度總是在絕對零度之上）是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度，事實(shí)上，這是證明大爆炸理論最顯著(zhù)有效的證據之一。
在實(shí)驗室中人們可以做得更好，能進(jìn)一步地接近于絕對零度，從上個(gè)世紀開(kāi)始，人們就已經(jīng)制成了能達到3K的制冷系統，并且在10多年前，在實(shí)驗室里達到的最低溫度已是絕對零度之上1/4度了，后來(lái)在1995年，科羅拉多大學(xué)和美國國家標準研究所的兩位物理學(xué)家愛(ài)里克·科內爾和卡爾威曼成功地使一些銣原子達到了令人難以置信的溫度，即達到了絕對零度之上的十億分之二十度（2×10^-8 K）。他們利用激光束和“磁陷阱”系統使原子的運動(dòng)變慢，我們由此可以看到，熱度實(shí)際上就是物質(zhì)的原子運動(dòng)。非常低的溫度是可以達不到的，而且還要以尋求“阻止”每一單個(gè)原子運動(dòng)，就像打臺球一樣，要使一個(gè)球停住就要用另一個(gè)球去打它。弄明白這個(gè)道理，只要想一想下面這個(gè)事實(shí)就夠了。在常溫下，氣體的原子以每小時(shí)1600公里的速度運動(dòng)著(zhù)，而在3K的溫度下則是以每小時(shí)1米的速度運動(dòng)著(zhù)，而在20nK（2×10^-8 K）的情況下，原子運動(dòng)的速度就慢得難以測量了。在20nK下還可以發(fā)現物質(zhì)呈現的新?tīng)顟B(tài)，這在70年前就被愛(ài)因斯坦和印度物理學(xué)家玻色（1894～1974）預見(jiàn)了。
事實(shí)上，在這樣的非常溫度下，物質(zhì)呈現的既不是液體狀態(tài)，也不是固體狀態(tài)，更不是氣體狀態(tài)，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現為一個(gè)單一的實(shí)體。
絕對零度下時(shí)間是否會(huì )停止 當在絕對零度時(shí)，時(shí)間會(huì )停止。這個(gè)問(wèn)題到底是對的還是錯的？至今還是有爭議。
正方認為（時(shí)間會(huì )停止）：
絕對零度在宇宙中是存在的，在宇宙的某些地方，當巨大的能量被黑洞吸走時(shí)產(chǎn)生絕對零度，由于時(shí)間也是一種能量形式，所以在那一刻，時(shí)間也是停止的。宇宙中有存在絕對零度的地方，甚至有低于絕對零度的地方，那些低于絕對零度的情況由反物質(zhì)構成。 也就是說(shuō)我們的分子運動(dòng)需要提供能量，而反物質(zhì)運動(dòng)則吸收能量，所以絕對零度可以達到，只不過(guò)我們沒(méi)有發(fā)現，也沒(méi)法發(fā)現。 正如數字有正負，電流有正負，性別有男女一樣，你憑什么說(shuō)就沒(méi)有低于絕對零度的負溫度？科學(xué)家們都沒(méi)有否認在絕對零度時(shí)刻，就是時(shí)間的起源之前時(shí)空的可知性，你又憑什么斷定在0度之下的溫度不存在？就像速度達到光速時(shí)時(shí)間會(huì )停止，再快就倒著(zhù)走。那如果速度達到了0km/s。那么時(shí)間的狀態(tài)又會(huì )改變。
反方認為（時(shí)間不會(huì )停止）：
從哲學(xué)角度說(shuō)，物質(zhì)的靜止和運動(dòng)都是相對的，時(shí)間如果記錄著(zhù)物質(zhì)的發(fā)展和變化的話(huà)，它記錄物質(zhì)的運動(dòng)狀態(tài)，那么可不可以記錄物質(zhì)的靜止狀態(tài)？ 絕對零度下，不是一切都停止了，停止的只是物質(zhì)的分子運動(dòng)，所以，綜上所述，絕對零度下的時(shí)間肯定還是運動(dòng)的。除非這個(gè)世界里，時(shí)間不再存在。 可是如果宇宙的全部物質(zhì)都是絕對零度那么時(shí)間也應該停止了吧！
事實(shí)上，在絕對零度時(shí)，物體是不存在運動(dòng)不存在能量的，此時(shí)物體保持了一個(gè)相對于非絕對零度物體的絕對靜止狀態(tài)。時(shí)間是一種能量（如前文所說(shuō)），但更多時(shí)候時(shí)候它是一種形式，是存在于我們感知范圍內的單位，因而在絕對零度時(shí)，相對時(shí)間是取決于你的認證方式的。另外，當到達絕對零度時(shí)，空間會(huì )發(fā)生扭曲。
絕對零度是不可能產(chǎn)生火焰的 絕對零度是不可能產(chǎn)生火焰的，至少人眼看不到，因為火焰自身的溫度的關(guān)系物質(zhì)燃燒必定要達到某種溫度否則不會(huì )產(chǎn)生火焰現象，絕對零度是一個(gè)推出的數字，是人類(lèi)不可能達到的一個(gè)最低溫，乃至宇宙也沒(méi)有這樣的低溫。
絕對零度時(shí)物體粒子的平均動(dòng)能為零，就是說(shuō)都不動(dòng)了，所以溫度不能再低了。瞬間到達絕對零度是一個(gè)非常復雜的概念 涉及到相對論的概念，火焰是物質(zhì)劇烈燃燒產(chǎn)生的。既然沒(méi)有動(dòng)能當然粒子也不會(huì )那么劇烈的運動(dòng)或者說(shuō)粒子處于絕對靜止狀態(tài)，也就是說(shuō)不會(huì )產(chǎn)生燃燒現象。
絕對零度下的振動(dòng)——真空零點(diǎn)能 在絕對零度下，任何能量都應消失�？删褪窃诮^對零度下，依然有一種能量存在，這就是真空零點(diǎn)能。
真空零點(diǎn)能，因在絕對零度下發(fā)現粒子的振動(dòng)而得名。這是量子真空中所蘊藏著(zhù)的巨大本底能量。海森堡測不準原理指出：不可能同時(shí)以較高的精確度得知一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。因此，當溫度降到絕對零度時(shí)粒子必定仍然在振動(dòng)；否則，如果粒子完全停下來(lái)，那它的動(dòng)量和位置就可以同時(shí)精確的測知，而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時(shí)的振動(dòng)（零點(diǎn)振動(dòng)）所具有的
處于絕對零度的宇宙邊緣處 能量就是零點(diǎn)能。
量子真空是沒(méi)有任何實(shí)物粒子的物質(zhì)狀態(tài)，其場(chǎng)的總能量處于最低，這是一切物質(zhì)運動(dòng)及能量場(chǎng)的最初始狀態(tài)，它的溫度自然處于絕對零度。這樣的狀態(tài)具有無(wú)限變化的潛在能力。零點(diǎn)能就是由（量子真空中）虛粒子，不斷產(chǎn)生的一對反粒子的出現和湮滅產(chǎn)生的。據推測，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有10^13焦耳，足以在瞬間燒干地球上所有海洋的水分！
從理論上看，真空能量以粒子的形態(tài)出現，并不斷以微小的規模形成和消失。真空中充滿(mǎn)著(zhù)幾乎各種波長(cháng)的粒子，但卡西米爾認為，如果使兩個(gè)不帶電的金屬薄盤(pán)緊緊靠在一起，較長(cháng)的波長(cháng)就會(huì )被排除出去。接著(zhù)，金屬盤(pán)外的其他波就會(huì )產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤(pán)越靠近，兩者之間的吸引力就越強。1996 年，物理學(xué)家首次對這種所謂的卡西米爾效應進(jìn)行了測定。這是證明真空零點(diǎn)能存在的確鑿證據。
其實(shí)，絕對零度和絕對至高溫度在理論上均可達到。人類(lèi)正不遺余力地做著(zhù)相關(guān)實(shí)驗，探索著(zhù)隱藏在科學(xué)深處的奧秘。
逼近絕對零度 和外太空宇宙背景輻射的 3K 溫度做比較，實(shí)現玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的溫度 170×10^9K 遠小于 3K，可知在實(shí)驗上要實(shí)現玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是非常困難的。要制造出如此極低的溫度環(huán)境，主要的技術(shù)是雷射冷卻和蒸發(fā)冷卻。
宇宙中最冷的地方 目前所知宇宙中最寒冷的地方，在布莫讓星云，那里的溫度為零下272攝氏度，僅比絕對零度高1.15攝氏度，堪稱(chēng)“宇宙冰窟”！布莫讓星云急速?lài)姲l(fā)，而周?chē)鷽](méi)有任何熱源，（像一個(gè)密封罐子中的液體被迫噴出時(shí)，罐子中的溫度就會(huì )急速降低）最終達到接近絕對零度的狀態(tài)。
布莫讓星云
最近一次達到的最低溫度 (2003年09月12日 16:37)
由德國、美國、奧地利等國科學(xué)家組成的一個(gè)國際科研小組，日前改寫(xiě)了人類(lèi)創(chuàng )造的最低溫度紀錄：他們在實(shí)驗室內達到了僅僅比絕對零度高0.5納開(kāi)爾文的溫度，而此前的紀錄是比絕對零度高3納開(kāi)。這是人類(lèi)歷史上首次達到絕對零度以上1納開(kāi)以?xún)鹊臉O端低溫。
最低溫度意義 開(kāi)爾文是熱力學(xué)溫度單位，簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)”，1開(kāi)刻度相當于1攝氏度刻度，1納開(kāi)等于十億分之一開(kāi)爾文。0開(kāi)即絕對零度是溫度的極限，相當于零下273.15攝氏度，在這種溫度下，分子將停止運動(dòng)。
這個(gè)科研小組在新一期美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文介紹說(shuō)，他們是在利用磁阱技術(shù)實(shí)現銫原子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC)的實(shí)驗過(guò)程中創(chuàng )造這一紀錄的。參與研究的科學(xué)家大衛·普里查德介紹說(shuō)，將氣體冷卻到極端接近絕對零度的條件對于精確測量具有重要意義，他們的此次實(shí)驗成果有助于制造更為精確的原子鐘和更為精確地測定重力等。
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的一種奇特的狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個(gè)粒子一樣。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。要實(shí)現物質(zhì)的該狀態(tài)一方面需要達到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。華裔物理學(xué)家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術(shù)制冷法而與另兩位科學(xué)家分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎。
科學(xué)家說(shuō)，他們希望利用新達到的最低溫度發(fā)現一些物質(zhì)的新現象，諸如在此低溫下原子在同一物體表面的狀態(tài)、在限定運動(dòng)通道區域時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)等。因發(fā)現了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài)而獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎的德國科學(xué)家沃爾夫岡·克特勒評價(jià)說(shuō)，首次達到絕對零度以上1納開(kāi)以?xún)鹊臏囟仁侨祟?lèi)歷史上的一個(gè)里程碑。
編輯本段口袋妖怪中的絕對零度 由日本任天堂公司所開(kāi)發(fā)的《口袋妖怪》系列游戲中的一種精靈戰斗技能。
技能數據 中文名：絕對零度
日文名：ぜったいれいど
英文名：Sheer Cold
屬性：冰
類(lèi)型：特殊
威力：不定
命中率：30%
PP：5
目標：單體
對戰信息：以絕對零度的冰冷攻擊對手，一擊必殺。
對戰效果：一擊必殺技能，傷害值等于防御方的最大HP。命中率=30+攻擊方等級+防御方等級，若進(jìn)攻方等級小于防御方等級，則必定技能失敗。
引入世代：第三世代
攻擊速度：正常
學(xué)習機：無(wú)
技能標示 可被保護：該技能可被對手通過(guò)保護、見(jiàn)切進(jìn)行保護。
可被模仿：該技能可被對手通過(guò)鸚鵡學(xué)舌等技能進(jìn)行模仿或復制。 |
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